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Visitez les multivers de Max Tegmark : l'inflation éternelle

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Le célèbre cosmologiste Max Tegmark, dans son ouvrage intitulé Notre univers mathématique, fait écho aux idées de Platon et y relate sa longue quête sur la nature fondamentale de la réalité en s'aidant de la cosmologie et de la physique modernes. Cette réflexion l'a conduit à une hypothèse vertigineuse : celles de plusieurs niveaux d'univers, dont le nôtre serait une minuscule partie. Avant de relater l'interview que Max Tegmark nous a accordée, à titre exceptionnel, laissez-nous vous emmener au sein de ces « multivers » pour le plus fantastique des voyages.

Il y a environ 2.400 ans, Platon pensait que la nature fondamentale de la réalité résidait dans un monde au-delà de l’espace et du temps, un monde de formes éternelles auxquelles nous pouvions avoir accès grâce aux mathématiques, à l’astronomie et à la musique, des sciences considérées comme sœurs par l’un des maîtres de Platon, le pythagoricien Archytas de Tarente. L'éminent cosmologiste Max Tegmark, bien connu pour présenter la physique de façon accessible et humoristique, reprend cette idée dans un livre tout en la renouvelant à l'aide des dernières théories en vogue en physique, en cosmologie, en informatique et en sciences cognitives. © MIT, SeriousScience

Timée de Locres était un philosophe pythagoricien que Platon met en scène dans son célèbre dialogue exposant les principes de sa cosmologie, le Timée. Dans cet ouvrage, Platon développait notamment une théorie de la matière basée sur les fameux cinq solides platoniciens, les seuls polyèdres convexes réguliers pouvant exister dans un espace en trois dimensions. Ces polyèdres, dont les premiers ont été découverts et étudiées par Archytas de Tarente, le grand mathématicien, astronome, ingénieur et philosophe pythagoricien, et ensuite par Théétète d'Athènes, sont caractérisés par des symétries. Au regard du rôle des symétries mathématiques utilisées pour décrire les particules élémentaires en physique, un rôle particulièrement bien mis en évidence par le prix Nobel Eugène Wigner, la théorie de Platon apparaît comme très moderne. Timée aurait réellement existé et aurait vécu au IVe siècle avant notre ère dans l'actuelle ville italienne de Locri, en Calabre.

Max Tegmark est lui un cosmologiste d'origine suédoise mais eût-il vécu au temps de Platon, il aurait probablement fait partie de son Académie et aurait cherché à rencontrer Archytas de Tarente. Professeur au Massachusetts Institute of Technology, le fameux MIT, Max Tegmark a contribué de manière importante à l'estimation des paramètres des modèles en cosmologie relativiste via l'analyse des observations du rayonnement fossile, notamment avec WMap et Planck, et de la répartition des galaxies effectuée dans le cadre du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Il s'agit des nombres caractérisant la forme et le contenu de l'univers observable comme par exemple sa courbure, son âge et son contenu en matière noire et énergie noire.

Les multivers : des conséquences mathématiques de la physique

Comme Timée, Platon et d'autres grands noms de l'astronomie, de la physique et des mathématiques, tels Kepler et Galilée ou Roger Penrose et Alain Connes, Tegmark s'est fait le champion de l'idée que la connaissance de la nature profonde du réel, des particules élémentaires au cosmos observable en passant par l'esprit lui-même, s'identifiait largement avec celle de sa structure mathématique. Mais Tegmark va plus loin que de dire que les mathématiques ne sont pas un simple langage commode, inventé par l'Homme pour décrire l'univers. Pour lui, la nature ultime de toute chose est une structure mathématique dont la compréhension est en principe accessible à l'esprit humain, sans autre limite que celle de son imagination et de sa curiosité.

Dans cette vidéo, Max Tegmark explique de façon simple pourquoi il pense que l'étoffe de notre univers est probablement purement mathématique. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français », puis cliquez sur « OK ». © MinutePhysics

Cette thèse, qu'il appelle l'Hypothèse de l'Univers Mathématique (ou HMU pour mathematical universe hypothesis en anglais), il la défend dans son livre Notre univers mathématique, en quête de la nature ultime du réel, dont une traduction française a été publiée aux éditions Dunod. Elle accompagne et sert de soutien à une seconde thèse qui depuis une vingtaine d'années prend de plus en plus de poids au sein de la communauté des cosmologistes et des physiciens : celle de l'existence d'univers parallèles. Ils émergent en effet de toutes parts des prédictions mathématiques de plusieurs théories de la physique moderne, que ce soit la mécanique quantique, la théorie des supercordes ou la théorie de l’inflation. On a d'ailleurs forgé une nouvelle dénomination pour caractériser la collection de ces univers : le multivers. Max Tegmark considère qu'il existe en fait quatre types, ou niveaux, de multivers, qui peuvent être considérés en première approximation comme imbriqués les uns dans les autres.

Le multivers I et l'inflation éternelle

Le premier multivers apparaîtra sans doute comme le moins problématique et le moins spéculatif aux yeux des lecteurs de l'ouvrage de Tegmark. Les observations de WMap et Planck ne nous ont pas permis de mesurer une valeur de la courbure spatiale de l'univers observable différente de zéro. Si tel est bien le cas, à moins que la topologie du cosmos ne soit pas triviale (elle pourrait être celle d'un tore en 3D), on doit en conclure que l'univers est spatialement infini.

La théorie de l'inflation suppose qu'au tout début de l'existence de notre univers observable, peu après le temps de Planck, l'espace aurait subi une phase très brève d'expansion accélérée. Elle l'aurait fantastiquement dilaté mais alors que cette phase s'est arrêtée pour une portion de l'espace, celle que nous habitons, elle aurait continué ailleurs tout en laissant derrière elle d'autres régions similaires à notre cosmos, mais avec des lois de la physique différentes pour les champs quantiques relativistes décrivant la matière et les forces. L'univers serait alors une collection d'univers-bulles interconnectés et émergeant les uns des autres à la suite d'autres phases inflationnaires un peu comme le montre le schéma ci-dessus. Si l'un de ces univers finit par mourir, par exemple en se recontractant sur lui-même, il s'en produit toujours d'autres avec des lois différentes (ce que représentent les couleurs sur le schéma). C'est la théorie de l'inflation éternelle. © Andreï Linde

Les différents modèles physiques permettant de décliner la théorie de l'inflation prédisent de façon générique que la courbure spatiale de notre univers observable doit nous apparaître comme très proche de zéro. Ce n'est pas la seule prédiction de la théorie de l'inflation à être couronnée de succès. Or, celle-ci conduit presque implacablement à la notion d'inflation éternelle que Paul Steinhardt et Alexander Vilenkin ont découverte au milieu des années 1980. Une fois qu'une phase de dilatation extrêmement rapide de l'espace a commencé très peu de temps après le temps de Planck, elle ne s'arrêterait jamais complétement, seulement dans des régions formant des univers-bulles comme le serait notre univers observable. On ne sait pas encore si les membres de Bicep2 ont bel et bien détecté les ondes gravitationnelles prédites par la théorie de l'inflation. Mais dans l'hypothèse où ce serait le cas, elle deviendrait définitivement une des composantes majeures du modèle cosmologique standard et il serait difficile de ne pas admettre le caractère infini du cosmos dans l'espace et peut-être aussi dans le temps.

Apparaîtrait alors une possibilité, actuellement du domaine de la métaphysique ou de la science-fiction : celle de l'existence d'une infinité de copies de la Terre avec toutes les variantes possibles des événements de son histoire. Il y aurait donc dans l'infinité de l'espace, du fait des trajectoires différentes prises par la matière s'organisant à partir de toutes les conditions initiales possibles actualisées par la théorie de l'inflation, des copies de chacun d'entre nous dont les expériences et les actions diffèrent de toutes les façons physiquement possibles. C'est le multivers de niveau I.

Le multivers II et des lois de la physique variables

Dans le multivers de niveau II, la diversité du multivers de niveau I est encore accrue par la possibilité que les lois de la physique elles-mêmes changent d'une portion de l'espace infini à une autre. Généralement, on entend par multivers de niveau II celui qui émerge de la théorie de l'inflation dans le cadre de la théorie des supercordes. On prend donc pour base les lois connues de la mécanique quantique et celles des espaces-temps courbes mais on admet que le nombre de dimensions, les types de forces et de particules de matière varient d'une région à une autre du multivers qui naissent suite à une phase inflationnaire. Dans certaines, le champ de Higgs possède une valeur nulle par exemple et il n'existe donc pas d'atomes. Dans d'autres, l'énergie noire a provoqué l'effondrement gravitationnel d'un cosmos avant que les étoiles n'aient eu le temps de se former, ou bien elle a entraîné la destruction des atomes suite à une expansion accélérée très forte de l'espace.

Ce multivers de niveau II explique ainsi l'ajustement qui semble miraculeux de plusieurs des paramètres du modèle standard en physique des particules. Sans cet ajustement, la vie ne semble pas pouvoir apparaître dans l'univers. Mais de même que la pluralité des exoplanètes dans la Voie lactée implique statistiquement que certaines d'entre elles se sont formées dans la zone d'habitabilité de leur étoile, la pluralité des univers permettrait à certains, sans supposer autre chose que le hasard et la nécessité, d'être régis par des lois autorisant l'apparition et l'évolution de la vie vers des structures complexes, telles que le cerveau humain. Le multivers de niveau II sert donc de base à ce que l'on appelle le principe anthropique faible.

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